Captulo III Processamento de Imagem Proc Sinal e

Capítulo III – Processamento de Imagem Proc. Sinal e Imagem Mestrado em Informática Médica Miguel Tavares Coimbra

Resumo 1. 2. 3. 4. Manipulação ponto a ponto Filtros espaciais Extracção de estruturas geométricas Introdução à segmentação MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

1. Manipulação ponto a. Negativo de uma imagem b. Manipulação da gama dinâmica c. Equalização de histograma 2. Filtros espaciais 3. Extracção de estruturas geométricas 4. Introdução à segmentação MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Definições • Domínio espacial – Refere-se à representação matricial da imagem em que cada pixel representa um ponto visual desta. – Por oposição: Domínio das frequências. • Operações neste domínio – Podem ser expressas por: MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Manipulação ponto a ponto • A transformação T opera numa janela: – Imagem completa – Região – Ponto • Se a janela se reduzir a um ponto temos: – Valor transformado é independente do valor dos vizinhos – Manipulação ponto a ponto. MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Negativo de uma imagem • Corrige certos métodos de aquisição de imagem. • Melhora a clareza psicovisual. MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Manipulação da gama dinâmica • Gama dinâmica – Variações de luz suportadas pela imagem. – Grande influência na percepção humana. – Manipulação usando uma função de transformação. Função de transformação: Negativo de uma imagem MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Contrast Stretching • ‘Estica’ a gama dinâmica de uma imagem. • Melhora a utilização da gama dinâmica digital. • Corrige problemas de captura óptica: – Má iluminação, abertura óptica, baixa eficácia dos sensores, etc. MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Manipulação específica • Adaptável às necessidades do problema. • Adaptável ao sistema de aquisição. • Flexibilidade: – Transformação linear. – Transformação não linear. – Definida pela função de transformação. MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Equalização de histograma • Tenta melhorar a eficiência de utilização do espaço de amplitudes. – Histograma plano • Sinal digital: – Histograma ‘quase’ plano • Melhora contraste. • Pode criar cores irrealistas! MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Equalização de histograma Exemplo MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

2. Filtros espaciais 1. Manipulação ponto a ponto 2. Filtros espaciais a. Máscaras espaciais b. Tipos de filtros 3. Extracção de estruturas geométricas 4. Introdução à segmentação MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Definições • Filtros espaciais – Utilizam uma máscara para actuar sobre uma região da imagem. – Trabalham directamente com os pontos da imagem. – Por oposição: Filtros de frequência. • Vantagens – Implementação simples: convolução com uma máscara. – Máscaras diferentes permitem uma grande variedade de funcionalidades. MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Máscara espacial • Forma simples de processar uma imagem. • Máscara define a função aplicada. • Corresponde a uma multiplicação no espaço de frequências. Máscara Imagem Convolução – Máscara ‘desliza’ sobre a imagem MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Máscara espacial - Exemplo • Cada posição da máscara possuí um peso p. • O resultado da operação num ponto é igual a: 1 2 2 2 0 0 0 4 4 4 -1 -2 -1 4 5 6 Máscara Imagem =1*2+2*2+1*2+… =8+0 -20 =-12 MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Smoothing – Média • Consiste em atenuar as frequências espaciais elevadas da imagem (filtro passa-baixo). – Torna a imagem mais ‘suave’. – Usado na remoção de ruído. • Pode ser implementado com máscaras ou no espaço de frequências. 1 1 1 1/9 1/9 1/9 1/9 MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Sharpen - Laplaciano • Operação inversa: Acentua as frequências espaciais elevadas da imagem. – Acentua as fronteiras da imagem. – Parece tornar a imagem mais ‘nítida’. • Implementação: – Filtro passa-alto (Laplaciano). – Resultado somado à imagem original. 0 1 1 1 1 -4 1 1 -8 1 0 1 1 0 MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Outros filtros espaciais • Passa-baixo – Mediana – Gaussiano A máscara utilizada não necessita de ser 3 x 3! • Passa-alto – Detectores de fronteiras. • Outros – Podemos configurar um filtro espacial, dado um determinado filtro de frequência. MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Tipos de resultados • Imagem • Característica – A matriz representa uma ‘imagem fotográfica’. • Espaço de cores original. • Novo espaço de cores. – Objectivos: • Remover ruído. • Melhorar visibilidade. • Artístico. – O resultado não é uma ‘imagem’ (sentido restrito). – Mede uma característica da imagem. – Objectivos: • Detecção. • Extracção de características. MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

3. Extr. estruturas geométricas 1. Manipulação ponto a ponto 2. Filtros espaciais 3. Extracção de estruturas geométricas a. Pontos, linhas e fronteiras b. Operadores populares c. Outras formas 4. Introdução à segmentação MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Definições • As estruturas geométricas são descontinuidades na matriz da imagem. • O gradiente espacial ajuda-nos a medir o grau de variação espacial da imagem. • Zonas de elevado gradiente denotam descontinuidades. • Posso usar máscaras espaciais para medir o gradiente. MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Pontos • Um ponto isolado deve ter elevado gradiente: – Horizontal – Vertical • Máscara simples. MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Linhas • Uma linha reflecte um gradiente forte numa só direcção. • Duas máscaras: – Horizontal – Vertical • E para mais direcções? – Mais máscaras! -1 -1 2 -1 -1 -1 2 MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Fronteiras • Fronteira: – Descontinuidade espacial da amplitude dos pixels. – Magnitude elevada do gradiente espacial. • Primeira derivada (pico) • Segunda derivada (zero crossing) MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Operadores populares • Detecção de fronteiras – Grande utilidade para vários problemas. – Problema bem estudado. • Soluções variadas – Sobel, Prewitt, Roberts, . . . MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Exemplo MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Transformada de Hough • Equação de uma linha: – Parâmetros: x, y yi = axi + b – Parâmetros: a, b b = -xia + yi • Linha que passam por um ponto: – x, y – infinitas – a, b – uma! MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Outras formas • Codifico na máscara a forma a detectar. • Rigidez da detecção: – Dimensão. – Orientação. • Variabilidade na detecção: – Preciso de muitas máscaras! Util para formas muito específicas MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

4. Introdução à segmentação 1. 2. 3. 4. Manipulação ponto a ponto Filtros espaciais Extracção de estruturas geométricas Introdução à segmentação a. Subjectividade do resultado b. Thresholding c. Pré e Pós-processamento MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Definição • Consiste na separação da imagem em áreas diferentes. – Extracção de objectos. – Extracção de áreas com características próprias. Nada trivial! É o ‘santo graal’ de uma imensidão de problemas! MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

A subjectividade da segmentação • O resultado de uma segmentação apenas é ‘correcto’ dado um determinado contexto. Qual a segmentação correcta? – Subjectividade! – Difícil implementação computacional. – Dificuldades na avaliação do desempenho. Rosto Pessoa Mala MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Thresholding • Consiste em dividir uma imagem em duas zonas: – 1, se f(x, y)>K – 0, se f(x, y)<=K • Não é fácil de achar um numero mágico k ideal! • Provavelmente a técnica mais popular de segmentação – Simples – Razoavelmente eficaz Threshold adequado! MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Números mágicos • O resultado é muito sensível às variações de k. • Número mágico. – Bom para uma situação. – Mau para todas as outras. • Sistema tem que ser robusto! • Como escolher k? – Histogramas. – Outras técnicas. A combinação das distribuições de duas regiões pode tornar a segmentação simples (esquerda) ou muito difícil (direita). Adaptado de [1] MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Exemplo Correcta (k = 74) Errada! (k = 128) MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Pré-processamento • Manipulação da imagem antes da aplicação do thresholding. • Permite criar uma melhor separação das zonas no histograma. • Mais comum: Filtragem de ruído. – Filtro passa-baixo. – Filtro de mediana. MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Pós-Processamento • Tenta corrigir os erros de segmentação. • Conhecimento a-priori acercado resultado esperado. • Filtros morfológicos. – Muito populares para pós-processamento. – Abertura. – Fecho. Abertura Fecho MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Resumo • • • Operações ponto a ponto. Máscaras e filtros espaciais. Extracção de formas geométricas simples. Thresholding e os números mágicos. Vantagens do Pré e Pós-Processamento. MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem

Referências 1. M. Sonka et al. , “Image Processing, Analysis and Machine Vision”, 2 nd Edition, International Thomson Publishing, 1999. 2. Gonzalez and Woods, “Digital Image Processing – 3 nd Edition”, Prentice Hall, 2008. MIM 13/14 - PSI - Capítulo III - Processamento de Imagem